1.6. Нелінійні оптичні явища в одномодових волокнах

Намагання збільшити довжини пасивних ділянок ВОЛЗ (тобто без регенераторів та оптичних підсилювачів) зумовили необхідність введення у волокно великої оптичної потужності. Проте було показано, що при потужності випромінювання в декілька мВт і вище починають виникати та впливати на якість зв’язку нелінійні оптичні явища. Наприклад, для волокна з перерізом серцевини 10 мкм при потужності випромінювання близько 10 мВт густина випромінювання складає 1.27 10⁴ Вт/см². Це вже достатня потужність для того, щоб інтенсивність випромінювання впливала на показник заломлення та коефіцієнт поглинання у волокні. Залежність коефіцієнта заломлення від інтенсивності призводить до декількох ефектів.

1.6.1. Фазова самомодуляція (фсм) та перехресна фазова модуляція (фкм)

О дним з перших нелінійних ефектів, якій починає проявлятися при потужності оптичного сигналу близько 8-10 мВт, є самомодуляція, або автомодуляція фази оптичної несучої – ФСМ (SPM). Це явище спостерігається при зміні показника заломлення. Зауважимо, що енергія в сигналі передається порціями (імпульсами). Отже, різні складові імпульсу поширюються з різними константами розповсюдження. Це спричинює розширення імпульсу. Очевидно, що при цьому відбувається розширення спектра сигналу. Самомодуляція фази суттєво проявляється при тривалості імпульсів пс. При тривалості імпульсів порядку 10-20 пс розширення може досягати двох-трьох та більше разів. Крім цього, на фронтах імпульсів можуть виникати осциляції (див. рис. 1.6.1).

Якщо у волокні розповсюджуються дві оптичні хвилі і кожна з них має потужність близько 10 мВт і більше, то нелінійність середовища викликає їх взаємодію. При цьому потужність однієї з хвиль викликає модуляцію не тільки власного сигналу, а й с

Рис. 1.6.1

усіднього. Природно, що даний вплив має взаємний характер та називається перехресною фазовою модуляцією або крос-модуляцією ФКМ (CPM).

Повернемося до явища самомодуляції фази однієї світлової хвилі. Виникнення осциляцій на фронтах імпульсу викликане так званою хвилевою нестійкістю. Як зазначалось, при ФСМ відбувається розширення спектра оптичного імпульсу. При цьому більш довгохвильові складові спектра просуваються з більш високою швидкістю порівняно з короткохвильовими. Ці складові спектра інтерферують, чим і викликаються осциляції. Оскільки середовище в даному випадку нелінійне, зсув частот призводить до виникнення нових частот і . Отже, крім двох складових у спектрі з’являється ще дві. При їх подальшому розповсюдженні цих компонент спектра відбувається їх взаємодія, що призводить до ускладнення процесу та збагаченню спектра новими складовими.

Аналогічні явища відбуваються і в тому випадку коли у волокно введені два оптичні сигнали на різних довжинах хвиль. Явище виникнення двох додаткових оптичних частот – це так зване явище чотирихвильового змішування (FWM), яке проявляється у вигляді перехресних завад у системах із багатохвильовим ущільненням (WDM).

Як вже зауважувалось, до перехресних завад у системах з багатохвильовим ущільненням призводить і крос-фазова модуляція. Ці завади зростають із зменшенням частотного інтервалу в сітці частот для систем з спектральним ущільненням. Розглянуті явища особливо проявляються при повному узгодженні констант розповсюдження хвиль, які введені у хвилевід, тобто у волокон із нульовою дисперсією. Пояснюється це тим, що в оптичному волокні з нульовою дисперсією існують оптимальні умови для того, щоб оптичні складові з меншою частотою мали більшу швидкість розповсюдження, ніж високочастотні складові. За рахунок цього перші можуть зустрічатися з другими, створювати биття і осциляції на фронтах імпульсів, розширюючи при цьому спектр сигналу. Таким чином, враховуючи нелінійні явища для систем із багатохвильовим ущільненням, доцільно застосовувати одномодові волокна з ненульовою дисперсією з невеликим нахилом дисперсійної характеристики.